基础知识 | 简单说说斜坡函数

[导读]1 预备知识 2 设计思路 3 matlab 程序 4 C语言程序 1 预备知识，  其中A为增益，相当于给定一个速度，在时间期间内，按照A作为加速度，匀加速或者匀减速到速度给定值 ” 如上图所示，这种函数就相当于控制系统中均速变换的位置信号，在三环控制的位置中，

1 预备知识
2 设计思路
3 matlab 程序
4 C语言程序

1 预备知识


其中A为增益，相当于给定一个速度，在时间期间内，按照A作为加速度，匀加速或者匀减速到速度给定值
”

如上图所示，这种函数就相当于控制系统中均速变换的位置信号，在三环控制的位置中，相当于这样一个过程;

设定最终的位置量为；
系统按照 A的速度进行均匀的位置变换，；
最终到达时刻，系统到达设定的位置；

同样的，也适用于速度环，对于不同的被控对象，增益的物理意义也不同，但是斜坡函数的最终目的就是让输入信号变得更加平缓，减少系统超调，从而优化系统的时间响应。

进行离散化将方程进行离散化，按照的时间采样，那么可以将输入离散化：

2 设计思路

首先这里简单讲一下斜坡函数实现的思路：

采样时间，需要根据采样时间对系统进行离散；
当前值，系统当前状态被控量的值，即；
目标值，系统最终期望到达的值，即；
延迟时间，系统到达目标值所需要的时间；
步数，系统达到目标值的步数，通常为；
斜率，斜率为，也就是每一步需要增加的值，最终一步一步增加到目标值；


通常在实际控制系统中，在定时器中断或者事件函数中，需要根据系统当前值，目标值，和延迟时间进行一次计算，得到斜坡函数需要执行的步数和斜坡函数的斜率。
”

下面用matlab先用模拟一下斜坡函数的生成，另外实际测试了一下C语言在实际硬件上的运行情况。

3 matlab 程序

以下程序模拟了采样时间为1，并且在delay时间（delay为sample_time的整数倍）之后最终到达target，具体程序如下所示；

function ramp_func()
%采样时间为1
sample_time = 1;
current = 0;
%到达目标值期望的时间
delay = 10;

%需要步数
step = delay/sample_time;
fprintf('step:%d\n',step);
%目标值
target = 20;

%斜率 增益A
inc_dec = (target - current)/step;
output = 1:1:step;
i=1;

while i <= step
    output(i) = current + inc_dec;
    current = output(i);
    fprintf('output(%d):%d\n',i,output(i));
    i = i+1;
end
plot(output);
end

最终的运行结果如下；

4 C语言程序

下面是一个速度的斜坡函数，相关参数封装到speed_ramp_mod中，具体如下所示；

struct speed_ramp_mod{
 int16_t target_val;  //目标参考值
 int16_t present_ref; //当前参考值
 int16_t step_val;  //当前参考值到目标参考值所需要的步数
 int16_t inc_val;  //步长/斜率
 int16_t freq_hz;  //速度环频率
};
typedef struct speed_ramp_mod speed_ramp_mod_t;
speed_ramp_mod_t user_ramp = {
 .target_val = 0,   //目标参考值
 .present_ref = 0,   //当前参考值
 .step_val = 0,    //当前参考值到目标参考值所需要的步数
 .inc_val = 0,    //步长
 .freq_hz = RAMP_SPEED_FREQ //速度采样频率
};

int16_t speed_ramp_calc(speed_ramp_mod_t *p){
  
 int32_t ref;
 ref = p->present_ref;
 
 if(p->step_val > 1){
  ref += p->inc_val;
  p->step_val--;
 }else if(p->step_val == 1){
  ref = p->target_val;
  p->step_val = 0;
 }else{
  /**
   Do Nothing
  */
 }
 p->present_ref = ref;
 return ref;
}

uint8_t speed_ramp_exec(speed_ramp_mod_t *p,int16_t target_val,int16_t durationms){
 
 int32_t inc = 0;
 int16_t ref = 0;
 ref = p->present_ref;
 if(durationms == 0){
  p->step_val = 0;
  p->inc_val = 0;
  p->present_ref = target_val;
 }else{
  p->target_val = target_val;
  //计算步长度
  p->step_val = (int32_t)durationms*p->freq_hz / 1000;
  p->inc_val = (p->target_val - ref)/p->step_val;
 }
}

uint8_t speed_ramp_completed(speed_ramp_mod_t *p){
 uint8_t retval = 0;
 if(p->step_val == 0){
  retval = 1;
 }
 return retval;
}

void speed_ramp_stop(speed_ramp_mod_t *p){
 p->step_val = 0; 
 p->inc_val = 0;
}

下面是测试程序，可以将程序放到定时器中进行周期性执行；

int16_t spd_ref = 0;
int16_t speed_ramp_ref = 0;
int16_t rpm_speed_set = 0;

void test(void){
 if(speed_ramp_completed(&user_ramp)){
  speed_ramp_exec(&user_ramp,
                    rpm_speed_set,
                    USER_RAMP_DELAY);
 }
 speed_ramp_ref = speed_ramp_calc(&user_ramp);
 printf("%d\r\n", speed_ramp_ref);
}